(57)【要約】【課題】  高信頼性で簡便かつ安価に製造が可能な高熱交換効率のスターリング機関用再生器を提供する。【解決手段】  スターリング機関用再生器１５は、樹脂フィルム８を巻き回すことによって形成された積層体からなり、樹脂フィルム８の積層方向と作動ガスの流動方向とが交差するように、スターリング機関の膨張室と圧縮室との間を連通する作動ガスの流路上に配設されてなる。樹脂フィルム８の表面には、積層される樹脂フィルム８同士の間に間隙部が形成されるように複数の突起部１０が設けられており、樹脂フィルム８の表面において、単位面積当たりの上記突起部１０の数が、樹脂フィルム８の巻き方向における内周端側から外周端側へ向けて徐々に増加または減少している。【選択図】        図４
2005147506.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フィルム状の樹脂部材を巻き回すことによって形成された積層体からなり、前記樹脂部材の積層方向と作動ガスの流動方向とが交差するように作動ガスの流路上に配設されてなるスターリング機関用再生器であって、
前記樹脂部材の表面には、前記積層される樹脂部材同士の間に間隙部が形成されるように複数の突起部が設けられており、
前記樹脂部材の表面において、単位面積当たりの前記突起部の数が、前記樹脂部材の巻き方向における内周端側から外周端側へ向けて徐々に増加または減少している、スターリング機関用再生器。
【請求項２】
前記樹脂部材の巻き中心線と交差する断面において、前記突起部が前記樹脂部材の内周縁から外周縁にかけて放射状に延びる線上に実質的に整列して配置されている、請求項１に記載のスターリング機関用再生器。
【請求項３】
内部に作動ガスが充填されたシリンダと、
前記シリンダ内を往復動するピストンおよびディスプレーサと、
前記ピストンおよびディスプレーサによって区画され、前記ディスプレーサの往復動方向端部外側に位置する膨張室および圧縮室と、
前記ディスプレーサの外周面外側に位置し、前記膨張室と前記圧縮室とを連通する流路と、
フィルム状の樹脂部材を巻き回すことによって形成された積層体からなり、前記樹脂部材の積層方向と作動ガスの流動方向とが交差するように前記流路上に配設されてなる再生器とを備え、
前記樹脂部材の表面には、前記積層される樹脂部材同士の間に間隙部が形成されるように複数の突起部が設けられており、
前記樹脂部材の表面において、単位面積当たりの前記突起部の数が、前記樹脂部材の巻き方向における内周端側から外周端側へ向けて徐々に減少している、スターリング機関。
【請求項４】
前記樹脂部材の巻き中心線と交差する断面において、前記突起部が前記樹脂部材の内周縁から外周縁にかけて放射状に延びる線上に実質的に整列して配置されている、請求項３に記載のスターリング機関。
【請求項５】
内部に作動ガスが充填されたシリンダと、
前記シリンダ内を往復動するピストンおよびディスプレーサと、
前記ピストンおよびディスプレーサによって区画され、前記ディスプレーサの往復動方向端部外側に位置する膨張室および圧縮室と、
前記ディスプレーサの内部に位置し、前記膨張室と前記圧縮室とを連通する流路と、
フィルム状の樹脂部材を巻き回すことによって形成された積層体からなり、前記樹脂部材の積層方向と作動ガスの流動方向とが交差するように前記流路上に配設されてなる再生器とを備え、
前記樹脂部材の表面には、前記積層される樹脂部材同士の間に間隙部が形成されるように複数の突起部が設けられており、
前記樹脂部材の表面において、単位面積当たりの前記突起部の数が、前記樹脂部材の巻き方向における内周端側から外周端側へ向けて徐々に増加している、スターリング機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フィルム状の樹脂部材を巻き回すことによって形成された積層体からなるスターリング機関用再生器およびこれを備えたスターリング機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、省エネルギーや環境問題などの見地から、スターリング機関が注目を浴びている。スターリング機関は、外部の熱源を利用して可逆サイクルであるスターリングサイクルを実現する外燃機関であり、ガソリンなどの引火性や着火性に優れた燃料を必要とする内燃機関などに比べ、省エネルギーで低公害であるという優れた長所を有する熱機関である。
【０００３】
このスターリング機関の応用例として、スターリング冷凍機が広く知られている。このスターリング冷凍機は、逆スターリングサイクルを用いて極低温を発生させる冷凍機である。
【０００４】
スターリング冷凍機は、作動ガスが内部に充填されたシリンダを備えている。このシリンダ内には、ピストンおよびディスプレーサが配置され、作動空間としての圧縮室および膨張室が区画形成されている。ピストンは、リニアモータによって駆動され、シリンダ内を往復動する。ディスプレーサは、ピストンがシリンダ内を往復動する力を受けて、ピストンと一定の位相差をもってシリンダ内を往復動する。これらピストンおよびディスプレーサの挙動により、作動空間内において逆スターリングサイクルが実現され、膨張室内において極低温が発生する。
【０００５】
圧縮室と膨張室との間には、これら両室を連通する流路が設けられており、この流路内に再生器が配設される。再生器は、熱交換器の一種であり、再生器内を流動する作動ガスとの間で熱量のやり取りを行なう蓄熱材である。一般に、再生器は、フィルム状の樹脂部材（以下、単に樹脂フィルムとも言う。）を渦巻状に巻き回して形成したものが利用される。この樹脂フィルムを巻き回して形成した再生器では、樹脂フィルムの表面に突起部が設けられており、この突起部によって再生器中に作動ガスが流動するための経路が構成される。
【０００６】
一般に、樹脂フィルムの表面に形成される突起部のパターンとしては、製造の容易性の観点から規則的に整列させたパターンが採用される場合が多い。たとえば、突起部を樹脂フィルム表面に縞状に配置したものやマトリックス状に配置したものなどが知られている（たとえば、特開２０００−２２０８９７号公報（特許文献１）参照）。
【０００７】
再生器においては、その限られた空間内において作動ガスとの接触面積をより大きく確保する必要がある。一方、接触面積を大きく確保するために複雑な経路を構成した場合には、逆に作動ガスの流動に対する抵抗となってしまうため、スターリング冷凍機の効率低下につながってしまう。すなわち、再生器の内部構造としては、作動ガスと接触する伝熱面積が大きく、かつ流動抵抗が小さいことが好ましい。
【０００８】
このような要請を満たす再生器として、特開２００３−２２２４２２号公報（特許文献２）に開示の再生器が知られている。この特許文献２に開示の再生器においては、単位面積当たりの突起部の数を樹脂フィルム表面の位置によって異なるように調節し、樹脂フィルムが巻き回されて形成された再生器の膨張室側部分において圧縮室側部分よりも突起部が多く存在するように構成されている。すなわち、再生器の巻き中心線と平行な方向における突起部の形成位置の最適化を図ることにより、再生器の熱交換効率の向上が実現されている。
【特許文献１】特開２０００−２２０８９７号公報
【特許文献２】特開２００３−２２２４２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記特許文献２に開示の再生器においては、上述のとおり、再生器の巻き中心線と平行な方向における突起部の形成位置の最適化は図られているものの、再生器の巻き中心線と交差する方向、すなわち径方向における突起部の形成位置については何ら考慮されていない。このため、高い熱交換効率を得るためにはさらなる改良が必要である。
【００１０】
したがって、本発明は、上述の問題点を解決すべくなされたものであり、高信頼性で簡便かつ安価に製造が可能な高熱交換効率のスターリング機関用再生器およびこれを備えたスターリング機関を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に基づくスターリング機関用再生器は、フィルム状の樹脂部材を巻き回すことによって形成された積層体からなり、フィルム状の樹脂部材の積層方向と作動ガスの流動方向とが交差するように作動ガスの流路上に配設されてなるものである。樹脂部材の表面には、積層される樹脂部材同士の間に間隙部が形成されるように複数の突起部が設けられており、樹脂部材の表面において、単位面積当たりの上記突起部の数が、樹脂部材の巻き方向における内周端側から外周端側へ向けて徐々に増加または減少している。
【００１２】
上記本発明に基づくスターリング機関用再生器にあっては、樹脂部材の巻き中心線と交差する断面において、上記突起部が、樹脂部材の内周縁から外周縁にかけて放射状に延びる線上に実質的に整列して配置されていることが好ましい。
【００１３】
本発明の第１の局面に基づくスターリング機関は、内部に作動ガスが充填されたシリンダと、シリンダ内を往復動するピストンおよびディスプレーサと、ピストンおよびディスプレーサによって区画され、ディスプレーサの往復動方向端部外側に位置する膨張室および圧縮室と、ディスプレーサの外周面外側に位置し、膨張室と圧縮室とを連通する流路と、この流路上に配設された再生器とを備える。再生器は、フィルム状の樹脂部材を巻き回すことによって形成された積層体からなり、フィルム状の樹脂部材の積層方向と作動ガスの流動方向とが交差するように流路上に配設される。樹脂部材の表面には、積層される樹脂部材同士の間に間隙部が形成されるように複数の突起部が設けられており、樹脂部材の表面において、単位面積当たりの上記突起部の数が、樹脂部材の巻き方向における内周端側から外周端側へ向けて徐々に減少している。
【００１４】
上記本発明の第１の局面に基づくスターリング機関にあっては、樹脂部材の巻き中心線と交差する断面において、上記突起部が、樹脂部材の内周縁から外周縁にかけて放射状に延びる線上に実質的に整列して配置されていることが好ましい。
【００１５】
本発明の第２の局面に基づくスターリング機関は、内部に作動ガスが充填されたシリンダと、シリンダ内を往復動するピストンおよびディスプレーサと、ピストンおよびディスプレーサによって区画され、ディスプレーサの往復動方向端部外側に位置する膨張室および圧縮室と、ディスプレーサの内部に位置し、膨張室と圧縮室とを連通する流路と、この流路上に配設された再生器とを備える。再生器は、フィルム状の樹脂部材を巻き回すことによって形成された積層体からなり、フィルム状の樹脂部材の積層方向と作動ガスの流動方向とが交差するように流路上に配設される。樹脂部材の表面には、積層される樹脂部材同士の間に間隙部が形成されるように複数の突起部が設けられており、樹脂部材の表面において、単位面積当たりの上記突起部の数が、樹脂部材の巻き方向における内周端側から外周端側へ向けて徐々に増加している。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、積層体からなる再生器の巻き中心線と交差する方向における突起部の形成位置の最適化が図られるようになるため、高信頼性で簡便かつ安価に製造が可能な高熱交換効率のスターリング機関用再生器およびこれを備えたスターリング機関を提供することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１について、図を参照して説明する。なお、本実施の形態においては、スターリング機関の応用例であるスターリング冷凍機を例示して説明を行なう。
【００１８】
（スターリング冷凍機の全体構造）
まず、本実施の形態におけるスターリング冷凍機の全体構造について説明する。図１は、本実施の形態におけるスターリング冷凍機の概略縦断面図である。
【００１９】
図１に示すように、スターリング冷凍機１Ａは、水素やヘリウムなどの不活性ガスが作動ガスとして内部に充填されたシリンダ２０を備えている。このシリンダ２０内には、ピストン２７およびディスプレーサ２６が嵌挿されており、これらによってシリンダ２０内の空間が圧縮室２８と膨張室２９とに区画されている。圧縮室２８は、ピストン２７とディスプレーサ２６の間に位置しており、膨張室２９は、ディスプレーサ２６とシリンダ２０の閉塞端との間に位置している。すなわち、圧縮室２８と膨張室２９とはディスプレーサ２６を挟んでディスプレーサ２６の往復動方向の端部外側に位置している。
【００２０】
ピストン２７はリニアモータ３０によって駆動されるが、バネ３２によってケーシング２３に接続されているため、シリンダ２０内を周期的に正弦運動する。また、ディスプレーサ２６は、ピストン２７の正弦運動の力を受けてシリンダ２０内を往復動するが、ピストン２７と同様にバネ３１によってケーシング２３に接続されているため、周期的な正弦運動をとることになる。このピストン２７の正弦運動とディスプレーサ２６の正弦運動とは、定常運転時において同じ周期で一定の位相差をもって行なわれる。
【００２１】
ディスプレーサ２６の外周面外側には、圧縮室２８と膨張室２９とを連通する作動ガスの流路が設けられている。この流路中にはフィルム状の樹脂部材を巻き回すことによって形成された積層体からなる再生器１５が配置されている。圧縮室２８、膨張室２９およびこれらを連通する流路によって構成された閉回路の圧縮室２８側には、放熱用熱交換器２４が取付けられており、さらにこの放熱用熱交換器２４に隣接して放熱器２２が設けられている。一方、閉回路の膨張室２９側には、吸熱用熱交換器２５が取付けられており、さらにこの吸熱用熱交換器２５に隣接して吸熱器２１が設けられている。
【００２２】
この閉回路内の作動ガスが、ピストン２７およびディスプレーサ２６の動作に合わせて流動することにより、逆スターリングサイクルが実現される。ここで、放熱器２２は圧縮室２８内の熱を外部へと放出させる役割を果たし、放熱用熱交換器２４はこの放熱を促進させる役割を果たす。また、吸熱器２１は外部の熱を膨張室２９内へと伝熱する役割を果たし、吸熱用熱交換器２５はこの伝熱を促進させる役割を果たす。
【００２３】
（スターリング冷凍機の動作）
次に、スターリング冷凍機１Ａの動作について説明する。まず、リニアモータ３０を作動させ、ピストン２７を駆動する。リニアモータ３０によって駆動されたピストン２７は、ディスプレーサ２６に接近し、圧縮室２８内の作動ガスを圧縮する。これにより、圧縮室２８内の作動ガス温度は上昇するが、放熱用熱交換器２４を介して放熱器２２によってこの圧縮室２８内に発生した熱が外部へと放出されるため、圧縮室２８内の作動ガス温度は、ほぼ等温に維持される。すなわち、本過程は、逆スターリングサイクルの等温圧縮過程を構成する。
【００２４】
次に、圧縮室２８内でピストン２７により圧縮された作動ガスは、その圧力により再生器１５内に流入し、さらに膨張室２９へと送られる。その際、作動ガスの持つ熱量が再生器１５に蓄熱される。すなわち、本過程は、逆スターリングサイクルの等容冷却過程を構成する。
【００２５】
つづいて、膨張室２９内に流入した高圧の作動ガスは、ディスプレーサ２６が下方へ下がることにより、膨張する。これにより、膨張室２９内の作動ガス温度は下降するが、吸熱用熱交換器２５を介して吸熱器２１によって外部の熱が膨張室２９内へと伝熱されるため、膨張室２９内はほぼ等温に保たれる。すなわち、本過程は、逆スターリングサイクルの等温膨張過程を構成する。
【００２６】
やがて、ディスプレーサ２６が上昇を始めることにより、膨張室２９内の作動ガスは再生器１５を通過して、再び圧縮室２８側へと戻る。その際、再生器１５に蓄熱されていた熱量が作動ガスに与えられるため、作動ガスは昇温する。すなわち、本過程は、逆スターリングサイクルの等容加熱過程を構成する。
【００２７】
この一連の過程（等温圧縮過程−等容冷却過程−等温膨張過程−等容加熱過程）が繰り返されることにより、逆スターリングサイクルが構成される。この結果、吸熱器２１は徐々に低温になり、極低温を有するに至る。
【００２８】
（再生器の構造）
次に、上述の再生器の構造について詳細に説明する。図２（ａ）は、本実施の形態における再生器の概略斜視図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）中の矢印Ａ方向から見た再生器の概略上面図である。
【００２９】
図２（ａ）および（ｂ）に示すように、再生器１５は、ボビン１４（スタッファーとも呼ばれる）の外周面に巻き回された樹脂フィルム８の積層体によって構成されている。樹脂フィルム８の表面には図示しない突起部が複数形成されており、この突起部によって内側に位置する樹脂フィルムと外側に位置する樹脂フィルムとの間に間隙部が形成される。この間隙部が作動ガスの通路となる。なお、ボビン１４は、その中心軸が圧縮室２８と膨張室２９とを連通する流路内を流れる作動ガスの流動方向と平行に配置されるため、樹脂フィルムの積層方向と作動ガスの流動方向とは交差することになる。
【００３０】
なお、一般に、樹脂フィルム８の表面は金属材料（例えば金、銀、銅、アルミ、カーボンなど）にてコーティングされる場合が多い。このように構成することにより、再生器１５の熱交換効率の向上が図られる。また、樹脂フィルム８は、その一部がボビン１４に固定されていてもよいし、固定されることなく自在に巻き付けられていてもよい。
【００３１】
（再生器の組付け構造）
次に、上述の再生器の組付け構造について詳細に説明する。図３は、本実施の形態におけるスターリング冷凍機における再生器の組付け構造を説明するための分解斜視図である。図３に示すように、ボビン１４に巻き回された樹脂フィルム８からなる再生器１５は、ケーシング２３に予め組付けられている外側ケース３３に内挿される。さらに、この上方から吸熱器２１が外側ケース３３に組付けられることにより、スターリング冷凍機内に閉回路が形成されるとともに、再生器１５が所定位置へと組付けられる。
【００３２】
（突起部の形成位置）
次に、本実施の形態における再生器の突起部の形成位置について説明する。図４は、本実施の形態における再生器の展開図である。図４に示すように、本実施の形態における再生器１５にあっては、樹脂フィルム８が巻き回される前の状態において、樹脂フィルム８の表面に複数の突起部１０が形成されている。突起部１０は、樹脂フィルム８の表面において、行列状に整列して設けられている。そして、巻き方向（樹脂フィルム８が巻き回される方向）の内周端側から外周端側に向けて、隣接する突起部の間隔が徐々に増加するように設けられている。
【００３３】
すなわち、樹脂フィルム８の内周端側から外周端側に向けてｎ列にわたって形成された突起部の列を、内周端側から外周端側に向かって順に第１列、第２列、・・・、第ｎ列とし、第１列と第２列の間隔をｄ１、第２列と第３列の間隔をｄ２、・・・第ｎ−１列と第ｎ列の間隔をｄｎ−１とした場合に、これら隣接する突起部の間隔が、ｄ１＜ｄ２＜・・・＜ｄｎ−１の条件を満たすように突起部１０の位置が調整されている。このように構成することにより、樹脂フィルム８の表面において、単位面積当たりの突起部１０の数が、樹脂フィルム８の巻き方向における内周端側から外周端側に向けて徐々に減少することになる。
【００３４】
（熱交換効率の観点からの再生器の最適化）
図５は、上述の樹脂フィルムを巻き回して形成した再生器の樹脂フィルムの巻き中心線と直交する方向における部分断面図である。図５に示すように、ボビン１４の外周面に巻き回された樹脂フィルム８は、複数の層からなる積層体として構成され、積層された樹脂フィルム８の各層は、樹脂フィルム８の表面に形成された突起部１０により、所定の間隔をもって位置することになる。すなわち、積層された樹脂フィルム８の各層間には、間隙部９が構成されることになる。そして、図１に示すスターリング冷凍機１Ａの作動ガスの流路上に、樹脂フィルム８の積層方向と作動ガスの流動方向とが交差するように積層体からなる再生器１５を配置することにより、樹脂フィルム８の各層間に位置する間隙部９内を作動ガスが流動することになる。
【００３５】
上述の通り、本実施の形態における再生器１５においては、樹脂フィルム８の表面において、単位面積当たりの突起部１０の数が、樹脂フィルム８の巻き方向における内周端側から外周端側へ向けて徐々に減少するように調整されている。このため、積層された樹脂フィルム８の巻き中心線と交差する断面において、内周縁寄りの樹脂フィルム層間に位置する突起部の数が、外周縁寄りの樹脂フィルム層間に位置する突起部の数に比べて相対的に多くなっている。
【００３６】
この結果、再生器１５内に形成された作動ガスの流路のうち、内周縁寄りの部分においては、作動ガスと再生器１５との伝熱面積が大きくなり、外周縁寄りの部分においては、伝熱面積が小さくなる。これに伴い、再生器１５内の内周縁寄りの部分においては、作動ガスの流動抵抗が大きくなり、外周縁寄りの部分においては、作動ガスの流動抵抗が小さくなる。
【００３７】
本実施の形態におけるスターリング冷凍機１Ａにあっては、図１に示すように、膨張室２９と圧縮室２８とを連通する作動ガスの流路が、ディスプレーサ２６の外周面外側に位置している。このように流路を構成した場合には、作動ガスの流速が流路の外側部分において大きくなり、内側部分において小さくなる。このため、再生器１５に流入／流出する熱流束は、再生器１５の径方向において一様ではなく、再生器１５の外周縁寄りの部分において大きくなり、内周縁寄りの部分において小さくなることになる。
【００３８】
すなわち、本実施の形態における再生器１５にあっては、より大きい熱流束が流入／流出する径方向外側部分において、作動ガスの流動抵抗を小さくするために樹脂フィルム８の表面に形成される突起部１０の数を相対的に少なくするとともに、流速の小さい径方向内側部分において、作動ガスとの伝熱面積を大きく確保するために樹脂フィルム８の表面に形成される突起部１０の数を相対的に大きくしている。このよう構成することにより、再生器１５の径方向における各樹脂フィルム層間において、個々に熱交換が促進されるようになるため、作動ガスと樹脂フィルム８との間の全体としての熱交換効率を向上させることが可能になる。この結果、再生器１５の蓄熱／放熱性能が飛躍的に向上し、再生器１５の径方向における突起部１０の形成位置の最適化が図られるようになる。
【００３９】
なお、上記作動ガスの流速および熱流束、再生器の単位面積当たりの突起部の数および隣接する突起部の間隔、再生器の伝熱面積および作動ガスの流動抵抗について、再生器の内側部分（樹脂フィルムの内周縁寄りの部分）と外側部分（樹脂フィルムの外周縁寄りの部分）とにおいて相対的に比較した表を、図６に示す。
【００４０】
（作用・効果）
以上において説明したように、本実施の形態の如くの再生器およびこれを備えたスターリング冷凍機とすることにより、再生器の径方向における突起部の形成位置の最適化が図られるようになる。このため、高信頼性で簡便かつ安価に製造が可能な高熱交換効率の再生器を提供することが可能になる。また、この再生器を搭載したスターリング冷凍機とすることにより、高性能でかつ高い信頼性が実現されたスターリング冷凍機とすることができる。
【００４１】
（突起部の形成方法および形成装置）
以下においては、上述の突起部のレイアウトパターンを実現する突起部形成方法について説明する。図７および図８は、樹脂フィルムの表面に突起部を形成するための突起部形成装置の構成例を示す模式図である。図５に示すように、本実施の形態における再生器１５においては、樹脂フィルム８の一部を塑性変形させることにより、樹脂フィルム８の表面に突起部１０が形成されている。このような突起部形成方法を実現する装置として、たとえば図７または図８に示す構成の突起部形成装置が利用される。
【００４２】
図７に示す突起部形成装置は、プレス加工によって樹脂フィルムの表面に突起部を形成する装置である。図７に示すように、本突起部形成装置は、樹脂フィルム８を送り出す送出手段であるフィルムフィーダ１１３および搬送ローラ１１１，１１２と、突起部形成手段であるプレス機１０１とを備えている。プレス機１０１は、フィルムフィーダ１１３の下流側に位置し、押し型１０２と、押さえ部１０３と、ステージ１０４とを備えている。押し型１０２とステージ１０４とは、フィルムフィーダ１１３によって一方向（図中矢印Ｂ方向）に向かって送り出される樹脂フィルム８を挟んで上下に離間して位置している。また、押し型１０２と押さえ部１０３とは、上下方向（図中矢印Ｃ方向）に移動可能となっている。なお、ステージ１０４の押し型１０２に対応した位置には、プレス時に押し型１０２の逃げとなる凹部が設けられている。
【００４３】
本突起部形成装置にあっては、フィルムフィーダ１１３から送り出された樹脂フィルム８の所定位置に向かって押さえ部１０３を下降させ、樹脂フィルム８をステージ１０４に位置決めして固定し、押し型１０２を用いて樹脂フィルム８をプレスすることにより、樹脂フィルム８を塑性変形させて突起部１０を形成する。この位置決め工程とプレス工程とを交互に繰り返すことにより、連続的に樹脂フィルム８の表面に突起部１０が形成されるようになる。なお、本突起部形成装置においては、プレスのタイミングや樹脂フィルムの搬送速度を調節することにより、上述の如くの突起部のレイアウトパターンが簡便に実現されるようになる。
【００４４】
図８に示す突起部形成装置は、樹脂フィルムの表面にレーザービームを照射することによって突起部を形成する装置である。図８に示すように、本突起部形成装置は、樹脂フィルム８を一方向（図中矢印Ｂ方向）に向かって送り出す送出手段であるフィルムフィーダ２１３および搬送ローラ２１１，２１２と、突起部形成手段であるレーザービーム照射手段２０１とを備えている。レーザービーム照射手段２０１は、フィルムフィーダ２１３の下流側に位置している。レーザービーム照射手段２０１から樹脂フィルム８へ照射されるレーザービーム２０３は、光源であるレーザー発振器２０２からパルス状に出射される。レーザー発振器２０２から出射されたレーザービーム２０３は、変調器２０４、ビーム拡大器２０５、モータ２０７により駆動されるポリゴンミラー２０６、集光走査レンズ２０９を介して、スポット状のレーザービームに変換され、ライン走査ビーム２１０として作用する。
【００４５】
本突起部形成装置にあっては、フィルムフィーダ２１３から送り出された樹脂フィルム８の所定位置に向かってライン走査ビーム２１０を照射することにより、樹脂フィルム８を局所的に加熱し、溶解させて突起部１０を形成する。このライン走査ビーム２１０の照射と樹脂フィルム８の搬送とを制御することにより、連続的に樹脂フィルム８の表面に突起部１０が形成されるようになる。なお、本突起部形成装置においては、ライン走査ビームの走査速度や樹脂フィルムの搬送速度を調節することにより、上述の如くの突起部のレイアウトパターンが簡便に実現されるようになる。
【００４６】
（突起部の形状）
図９は、上述の突起部形成装置によって形成された突起部の形状を示す図である。図９（ａ）に示す突起部１０ａは、先端に開口部１０ａ１が形成された突起部であり、図９（ｂ）に示す突起部１０ｂは、先端に開口部を有さず、山なりに形成された突起部である。プレス機を用いて突起部を形成する場合には、プレスによる加圧力や押し型の先端の形状を調節することにより、図９（ａ）に示す突起部１０ａと図９（ｂ）に示す突起部１０ｂの作り分けが可能である。また、レーザービーム照射手段を用いて突起部を形成する場合には、レーザービームの強度や照射時間を調節することにより、図９（ａ）に示す突起部１０ａと図９（ｂ）に示す突起部１０ｂの作り分けが可能である。なお、図９（ａ）に示す如くの突起部１０ａの形状を採用することにより、開口部１０ａ１を介して作動ガスが樹脂フィルム８の各層間を移動するようになるため、作動ガスの撹拌が促進され、図９（ｂ）に示す如くの突起部１０ｂの形状を採用した場合に比べ、大幅に熱交換効率が向上するようになる。
【００４７】
（変形例）
図１０は、本実施の形態における再生器の変形例を示す部分断面図である。図１０に示すように、本変形例における再生器１５においては、樹脂フィルム８を巻き回した状態において、各層間に位置する突起部１０が樹脂フィルム８の内周縁から外周縁にかけて放射状に延びる直線５０上に整列して配置されるように、突起部１０の形成位置が調整されている。このように構成することにより、樹脂フィルム８の機械的な強度が向上し、組付け作業時等における再生器１５の変形が抑制される効果が得られる。
【００４８】
なお、図１０においては、突起部１０が巻き中心から放射状に延びる直線５０上に整列して配置された再生器を例示しているが、必ずしも突起部が直線上に配置される必要はない。たとえば、隣接して位置する内側層および外側層の突起部がわずかにずれて配置され、結果として巻き中心から放射状に延びる曲線上に突起部が整列して配置されていてもよい。また、各層の突起部同士が寸分違わず完全に整列して配置されている必要もなく、実質的にある程度そろった状態で整列されていれば十分である。
【００４９】
（実施の形態２）
以下、本発明の実施の形態２について、図を参照して説明する。なお、本実施の形態においても、スターリング機関の応用例であるスターリング冷凍機を例示して説明を行なう。
【００５０】
（スターリング冷凍機の構造）
まず、本実施の形態におけるスターリング冷凍機の全体構造について説明する。図１１は、本実施の形態におけるスターリング冷凍機の概略縦断面図である。なお、上述の実施の形態１におけるスターリング冷凍機１Ａと同様の部分については図中同一の符号を付し、その説明はここでは繰り返さない。
【００５１】
図１１に示すように、本実施の形態におけるスターリング冷凍機１Ｂにおいては、膨張室２９と圧縮室２８とを連通する流路がディスプレーサ２６の内部に形成されている。ディスプレーサ２６は、上記流路となる内部空間を有しており、この内部空間は、ディスプレーサ２６の往復動方向両端部に設けられた連通孔を介して膨張室２９および圧縮室２８に連通している。そして、このディスプレーサ２６の内部に形成された流路上に再生器１５が配設されている。
【００５２】
（再生器の構造）
次に、上述の再生器の構造について詳細に説明する。図１２（ａ）は、本実施の形態における再生器の概略斜視図であり、図１２（ｂ）は、図１２（ａ）中の矢印Ｄ方向から見た再生器の概略上面図である。
【００５３】
図１２（ａ）および（ｂ）に示すように、再生器１５は、樹脂フィルム８を巻き回して形成された積層体によって構成されている。樹脂フィルム８の表面には図示しない突起部が複数形成されており、この突起部によって内側に位置する樹脂フィルムと外側に位置する樹脂フィルムとの間に間隙部が形成される。そして、この間隙部が作動ガスの通路となる。なお、樹脂フィルム８の巻き中心線とディスプレーサ２６の軸線とが平行となるように、再生器１５がディスプレーサ２６内に嵌挿されるため、樹脂フィルム８の積層方向と作動ガスの流動方向とは交差することになる。
【００５４】
（突起部の形成位置）
次に、本実施の形態における再生器の突起部の形成位置について説明する。図１３は、本実施の形態における再生器の展開図である。図１３に示すように、本実施の形態における再生器１５にあっては、樹脂フィルム８が巻き回される前の状態において、樹脂フィルム８の表面に複数の突起部が形成されている。突起部１０は、樹脂フィルム８の表面において、行列状に整列して設けられている。そして、巻き方向（樹脂フィルム８が巻き回される方向）の内周端側から外周端側に向けて隣接する突起部の間隔が徐々に減少するように設けられている。
【００５５】
すなわち、樹脂フィルム８の内周端側から外周端側に向けてｎ列にわたって形成された突起部の列を、内周端側から外周端側に向かって順に第１列、第２列、・・・、第ｎ列とし、第１列と第２列の間隔をｄ１、第２列と第３列の間隔をｄ２、・・・第ｎ−１列と第ｎ列の間隔をｄｎ−１とした場合に、これら隣接する突起部の間隔が、ｄ１＞ｄ２＞・・・＞ｄｎ−１の条件を満たすように突起部１０の位置が調整されている。このように構成することにより、樹脂フィルム８の表面において、単位面積当たりの突起部１０の数が、樹脂フィルム８の巻き方向における内周端側から外周端側に向けて徐々に減少することになる。
【００５６】
（熱交換効率の観点からの再生器の最適化）
図１４は、上述の樹脂フィルムを巻き回して形成した再生器の樹脂フィルムの巻き中心線と直交する方向における部分断面図である。図１４に示すように、巻き回された樹脂フィルム８は、複数の層からなる積層体として構成され、積層された樹脂フィルム８の各層は、樹脂フィルム８の表面に形成された突起部１０により、所定の間隔をもって位置することになる。すなわち、積層された樹脂フィルム８の各層間には、間隙部９が構成されることになる。そして、図１１に示すスターリング冷凍機１Ｂの作動ガスの流路上に、樹脂フィルム８の積層方向と作動ガスの流動方向とが交差するように積層体からなる再生器１５を配置することにより、樹脂フィルム８の各層間に位置する間隙部９内を作動ガスが流動することになる。
【００５７】
上述の通り、本実施の形態における再生器１５においては、樹脂フィルム８の表面において、単位面積当たりの突起部１０の数が、樹脂フィルム８の巻き方向における内周端側から外周端側へ向けて徐々に増加するように調整されている。このため、積層された樹脂フィルム８の巻き中心線と交差する断面において、内周縁寄りの樹脂フィルム層間に位置する突起部の数が、外周縁寄りの樹脂フィルム層間に位置する突起部の数に比べて相対的に少なくなっている。
【００５８】
この結果、再生器１５内に形成された作動ガスの流路のうち、内周縁寄りの部分においては、作動ガスと再生器１５との伝熱面積が小さくなり、外周縁寄りの部分においては、伝熱面積は大きくなる。これに伴い、再生器１５内の内周縁寄りの部分においては、作動ガスの流動抵抗が小さくなり、外周縁寄りの部分においては、作動ガスの流動抵抗が大きくなる。
【００５９】
本実施の形態におけるスターリング冷凍機１Ｂにあっては、図１１に示すように、膨張室２９と圧縮室２８とを連通する作動ガスの流路が、ディスプレーサ２６内に位置している。このように流路を構成した場合には、作動ガスの流速が流路の内側部分において大きくなり、外側部分において小さくなる。このため、再生器１５に流入／流出する熱流束は、再生器１５の径方向において一様ではなく、再生器１５の内周縁寄りの部分において大きくなり、外周縁寄りの部分において小さくなることになる。
【００６０】
すなわち、本実施の形態における再生器１５にあっては、より大きい熱流束が流入／流出する径方向内側部分において、作動ガスの流動抵抗を小さくするために樹脂フィルム８の表面に形成される突起部１０の数を相対的に少なくするとともに、流速の小さい径方向外側部分において、作動ガスとの伝熱面積を大きく確保するために樹脂フィルム８の表面に形成される突起部１０の数を相対的に大きくしている。このよう構成することにより、再生器１５の径方向における各樹脂フィルム層間において、個々に熱交換が促進されるようになるため、作動ガスと樹脂フィルム８との間の全体としての熱交換効率を向上させることが可能になる。この結果、再生器１５の蓄熱／放熱性能が飛躍的に向上し、再生器１５の径方向における突起部１０の形成位置の最適化が図られるようになる。
【００６１】
なお、上記作動ガスの流速および熱流束、再生器の単位面積当たりの突起部の数および隣接する突起部の間隔、再生器の伝熱面積および作動ガスの流動抵抗について、再生器の内側部分（樹脂フィルムの内周縁寄りの部分）と外側部分（樹脂フィルムの外周縁寄りの部分）とにおいて相対的に比較した表を、図１５に示す。
【００６２】
（Ｅ．作用・効果）
以上において説明したように、本実施の形態の如くの再生器およびこれを備えたスターリング冷凍機とすることにより、再生器の径方向における突起部の形成位置の最適化が図られるようになる。このため、高信頼性で簡便かつ安価に製造が可能な高熱交換効率の再生器を提供することが可能になる。また、この再生器を搭載したスターリング冷凍機とすることにより、高性能でかつ高い信頼性が実現されたスターリング冷凍機とすることができる。
【００６３】
なお、上述の実施の形態１および２においては、樹脂フィルムを塑性変形させることによって突起部を形成する場合を例示して説明を行ったが、本発明は特にこれに限定されるものではない。たとえば、シルク印刷によって樹脂フィルムの表面に突起部を形成する手法や、スペーサを樹脂フィルムの表面に貼付する手法など、どのような手法にて突起部を形成する場合であっても、本発明を当然に適用することが可能である。
【００６４】
また、上述の実施の形態１および２においては、樹脂フィルムの表面において行列状に突起部が整列して配置された場合を例示して説明を行ったが、厳密に突起部が行列状に配置されている必要はなく、そのレイアウトは適宜変更が可能である。しかしながら、樹脂フィルムの巻き方向の内周端側から外周端側へ向けて突起部の密度が徐々に増加または減少するように突起部の形成位置を適宜調節することは必須である。
【００６５】
さらに、上述の実施の形態１および２においては、再生器としてスターリング冷凍機に搭載されるスターリング冷凍機用再生器を例示して説明を行なったが、特にこれに限定されるものではなく、当然にスターリング機関に搭載されるスターリング機関用再生器にも適用が可能である。
【００６６】
このように、今回開示した上記各実施の形態はすべての点で例示であって、制限的なものではない。本発明の技術的範囲は特許請求の範囲によって画定され、また特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明の実施の形態１におけるスターリング冷凍機の概略縦断面図である。
【図２】本発明の実施の形態１における再生器の概略斜視図および概略上面図である。
【図３】本発明の実施の形態１におけるスターリング冷凍機における再生器の組付け構造を説明するための分解斜視図である。
【図４】本発明の実施の形態１における再生器の展開図である。
【図５】本発明の実施の形態１における再生器の樹脂フィルムの巻き中心線と直交する方向における部分断面図である。
【図６】本発明の実施の形態１におけるスターリング冷凍機において、再生器の内側部分と外側部分とにおける作動ガスの流速や熱流束、再生器の伝熱面積等を比較した表である。
【図７】樹脂フィルムの表面に突起部を形成するための突起部形成装置の構成例を示す模式図である。
【図８】樹脂フィルムの表面に突起部を形成するための他の突起部形成装置の構成例を示す模式図である。
【図９】図７および図８に示す突起部形成装置によって形成された突起部の形状を示す図である。
【図１０】本発明の実施の形態１における再生器の変形例を示す部分断面図である。
【図１１】本発明の実施の形態２におけるスターリング冷凍機の概略縦断面図である。
【図１２】本発明の実施の形態２における再生器の概略斜視図および概略上面図である。
【図１３】本発明の実施の形態２における再生器の展開図である。
【図１４】本発明の実施の形態２における再生器の樹脂フィルムの巻き中心線と直交する方向における部分断面図である。
【図１５】本発明の実施の形態２におけるスターリング冷凍機において、再生器の内側部分と外側部分とにおける作動ガスの流速や熱流束、再生器の伝熱面積等を比較した表である。
【符号の説明】
【００６８】
１Ａ，１Ｂ  スターリング冷凍機、８  樹脂フィルム、９  間隙部、１０，１０ａ，１０ｂ  突起部、１０ａ１  開口部、１４  ボビン、１５  再生器、２０  シリンダ、２１  吸熱器、２２  放熱器、２３  ケーシング、２４  放熱用熱交換器、２５  吸熱用熱交換器、２６  ディスプレーサ、２７  ピストン、２８  圧縮室、２９  膨張室、３０  リニアモータ、３１，３２  バネ、３３  外側ケース、５０  直線、１０１  プレス機、１０２  押し型、１０３  押さえ部、１０４  ステージ、１１１，１１２  搬送ローラ、１１３  フィルムフィーダ、２０１  レーザービーム照射手段、２０２  レーザー発振器、２０３  レーザービーム、２０４  変調器、２０５  ビーム拡大器、２０６  ポリゴンミラー、２０７  モータ、２０９  集光走査レンズ、２１０  ライン走査ビーム、２１１，２１２  搬送ローラ、２１３  フィルムフィーダ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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